一种硅气凝胶材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工材料领域，尤其涉及一种硅气凝胶材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。其中，最常见的气凝胶为硅气凝胶。
[0003]硅气凝胶，又称S12气凝胶，是一种由纳米S12粒子聚集构成的固态非晶材料。硅气凝胶的孔隙率高达80?90%，密度低至3kg/m3，比表面积高达1200m2/g，是典型的纳米多孔材料。
[0004]硅气凝胶具有多种优良的性质:1)优良的隔热性，硅气凝胶材料具有极低的导热系数，可达到0.013?0.016W/ (m.K)，比相应的无机绝缘材料低2?3个数量级；2)良好的隔音性，硅气凝胶的声阻抗可变范围为103?107kg/m2.s，具有低音速特性；3)选择透光性，硅气凝胶的折射率接近1，且对红外线和可见光的煙灭系数之比达100以上，能够有效地透射太阳光中的可见光，同时阻隔红外线。
[0005]虽然硅气凝胶具有以上的优异性能，但由于现有技术制备得到的硅气凝胶材料机械强度较低，使其难以得到广泛应用。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅气凝胶材料的制备方法，采用本方法制备得到的硅气凝胶材料的机械强度高。
[0007]本发明提供了一种硅气凝胶材料的制备方法，包括:
[0008]a)、硅酸酯、水、助剂和有机溶剂混合，在酸性条件下进行水解反应，得到溶胶；
[0009]所述助剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和甘胆酸钠中的一种或多种；
[0010]b)、所述溶胶在碱性条件下进行缩聚反应，得到湿凝胶材料；
[0011]c)、所述湿凝胶材料经过干燥处理，得到硅气凝胶材料。
[0012]优选的，所述硅酸酯和助剂质量比为I?10:1?2。
[0013]优选的，所述硅酸酯为正硅酸乙酯-28、正硅酸乙酯-32和正硅酸乙酯-40中的一种或多种。
[0014]优选的，所述步骤b)为:
[0015]所述溶胶在碱性条件下浸入纤维骨架材料中进行缩聚反应，得到湿凝胶材料。
[0016]优选的，所述纤维骨架材料为玻璃棉、玻璃纤维针刺毡和陶瓷纤维中的一种或多种。
[0017]优选的，所述干燥处理的方式为超临界CO2干燥。
[0018]优选的，所述湿凝胶材料经过干燥处理之前，先经过憎水处理。
[0019]优选的，所述憎水处理的憎水剂为六甲基二硅氮烷、卤甲烷和硫酸二甲酯中的一种或多种。
[0020]优选的，所述湿凝胶材料经过憎水处理之前，先进行溶剂替换。
[0021]优选的，所述溶剂替换过程中使用的溶剂为乙醇、丙醇和异丁醇中的一种或多种。
[0022]与现有技术相比，本发明提供了一种硅气凝胶材料的制备方法，包括:a)、硅酸酯、水、助剂和有机溶剂混合，在酸性条件下进行水解反应，得到溶胶；所述助剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和甘胆酸钠中的一种或多种山)、所述溶胶在碱性条件下进行缩聚反应，得到湿凝胶材料；c)、所述湿凝胶材料经过干燥处理，得到硅气凝胶材料。本发明在制备硅气凝胶材料的过程中添加了助剂，助剂的加入能增强硅气凝胶材料的机械强度。实验结果表明，采用本发明提供的方法制备得到硅气凝胶材料的抗压强度不低于300Kpa。
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0024]图1为本发明实施例1提供的硅气凝胶材料的形貌图；
[0025]图2为本发明实施例2提供的硅气凝胶材料的形貌图；
[0026]图3为本发明实施例2提供的硅气凝胶材料的透射电镜图；
[0027]图4为本发明实施例3提供的硅气凝胶材料的形貌图。
【具体实施方式】
[0028]下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]本发明提供了一种硅气凝胶材料的制备方法，包括:
[0030]a)、硅酸酯、水、助剂和有机溶剂混合，在酸性条件下进行水解反应，得到溶胶；
[0031]所述助剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和甘胆酸钠中的一种或多种；
[0032]b)、所述溶胶在碱性条件下进行缩聚反应，得到湿凝胶材料；
[0033]c)、所述湿凝胶材料经过干燥处理，得到硅气凝胶材料。
[0034]在本发明中，首先将硅酸酯、水、助剂和有机溶剂混合，在酸性条件下进行水解反应，得到溶胶。其中，所述硅酸脂优选为正硅酸乙酯，更优选为正硅酸乙酯-28、正硅酸乙酯-32和正硅酸乙酯-40中的一种或多种。所述助剂优选为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和甘胆酸钠中的一种或多种。所述有机溶剂优选为乙醇。所述娃酸醋和水的质量比优选为I?10:10?80，更优选为I?5:10?50，最优选为3?4:30?40。所述硅酸酯和助剂的质量比优选为I?10:1?2，更优选为I?2:1?1.1。所述硅酸酯和有机溶剂的用量比优选为I?10 (g):40?200 (mL)，更优选为I?6 (g):40?150 (mL)，最优选为3?5 (g):50?105 (mL)。所述酸性条件由酸性溶液提供，所述酸性溶液优选为盐酸溶液，所述酸性条件的pH值优选为I?5，更优选为3?4。
[0035]在本发明中，所述硅酸酯、水、助剂和有机溶剂混合，在酸性条件下进行水解反应得到溶胶的过程具体为:先将硅酸酯和水混合，然后将硅酸酯和水的混合体系与酸性溶液混合，接着将有机溶剂缓慢加入硅酸酯、水和酸性溶液的混合体系中，最后将硅酸酯、水、酸性溶液和有机溶剂的混合体系与助剂混合，进行水解反应。上述各阶段混合过程中混合的方式优选为搅拌。所述水解反应的时间优选为1min?24h，更优选为2?5h ;所述水解反应的温度优选为O?100°C，更优选为30?60°C，最优选为40?45°C。水解反应结束后，得到溶胶。
[0036]制得溶胶后，所述溶胶在碱性条件下进行缩聚反应，得到湿凝胶材料。所述碱性条件由碱性溶液提供，所述碱性溶液优选为氨水。所述碱性条件的PH值优选为8?14，更优选为12?13。在本发明中，所述溶胶在碱性条件下进行缩聚反应，得到湿凝胶材料的过程具体为:将碱性溶液缓慢加入溶胶中，进行缩聚反应。所述缩聚反应的时间优选为1min?72h，更优选为16?24h ;所述缩聚反应的温度优选为O?100°C，更优选为50?60°C。缩聚反应结束后，得到湿凝胶材料
[0037]在本发明的某些实施例中可以将溶胶复合于纤维骨架材料中，生产复合有纤维骨架的湿凝胶材料，该过程为:所述溶胶在碱性条件下浸入纤维骨架材料中进行缩聚反应，得到湿凝胶材料。其中，所述纤维骨架材料优选为玻璃棉、玻璃纤维针刺毡和陶瓷纤维中的一种或多种。在本发明提供的一个实施例中，所述纤维骨架材料为玻璃纤维针刺毡或玻璃纤维针刺毡复合陶瓷纤维。本发明对所述溶胶和纤维骨架材料的用量比没有特别限定，优选为溶胶将纤维骨架材料完全浸湿。所述碱性条件由碱性溶液提供，所述碱性溶液优选为氨水。所述碱性条件的pH值优选为8?14，更优选为12?13。
[0038]在本发明中，所述溶胶在碱性条件下浸入纤维骨架材料中进行缩聚反应，得到湿凝胶材料的过程具体为:先将碱性溶液缓慢加入溶胶中，然后将纤维骨架材料加入碱性溶液和溶胶的混合体系中，使纤维骨架材料完全浸湿。浸入纤维骨架材料中的溶胶在纤维骨架材料中进行缩聚反应。所述缩聚反应的时间优选为1min?72h，更优选为16?24h，最优选为16?18h ;所述缩聚反应的温度优选为O?100°C，更优选为50?60°C。缩聚反应结束后，得到湿凝胶材料，所述湿凝胶材料为硅湿凝胶与无机纤维骨架的复合材料。
[0039]制得湿凝胶材料后，所述湿凝胶材料经过干燥处理，得到硅气凝胶材料。所述干燥处理的温度优选为O?100°C，更优选为45?50°C ;所述干燥处理的时间优选为1min?24h，更优选为12?16h ;所述干燥处理的方式优选为超临界CO2干燥。在本发明中，利用超临界CO2干燥湿凝胶材料可以使湿凝胶材料排除有机溶剂时不存在毛细管力，从而避免了排除有机溶剂时弓I起凝胶结构的坍塌，使得到的凝胶保持原始形状。
[0040]由于湿凝胶材料表面主要是羟基基团，使湿凝胶材料表现出强烈的氢键效应，这种湿凝胶材料在干燥后得到的硅气凝胶材料具有强烈的吸湿性，影响硅气凝胶材料的应用。因此，在本发明中，所述湿凝胶材料经过干燥处理之前，优选先经过憎水处理。所述憎水处理的过程具体为:湿凝胶材料、憎水剂和有机溶剂混合。所述憎水剂优选为六甲基二硅氮烷、卤甲烷和硫酸二甲酯中的一种或多种。所述憎水剂与制备所述湿凝胶材料所用的硅酸酯的用量比优选为50?200 (mL): 50?300(g)，更优选为80?180 (mL):100?200(g)。所述有机溶剂优选为乙醇。所述有机溶剂与制备所述湿凝胶材料所用的硅酸酯的用量比优选为 500 ?2000 (mL):50